丁 妍 丁韋娜 曾興國 任 福，3，4

1 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢，430079 2 中國科學(xué)院國家天文臺(tái)，北京，100101 3 武漢大學(xué)地理信息系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430079 4 自然資源部數(shù)字制圖與國土信息應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430079

火星是太陽系中距離地球較近，自然環(huán)境與地球最為類似的行星［1］。歷史上，世界各國開展了一系列火星探測活動(dòng)，并將火星的古代水活動(dòng)歷史和宜居演化作為研究的重要內(nèi)容［2］。中國首次火星探測任務(wù)的一大科學(xué)目標(biāo)便是研究火星水冰分布［3］。盡管目前火星表面環(huán)境大氣壓力與溫度過低，液態(tài)水無法存在，但從現(xiàn)有影像中可以看到，火星表面存在類水系構(gòu)造，包括古河流、古湖泊、三角洲等。其中，火星南部高地被數(shù)百個(gè)縱橫的山谷分割，這些山谷長度可達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千公里，形成相互連接的網(wǎng)絡(luò)。火星的山谷網(wǎng)絡(luò)在視覺上與地球陸地河網(wǎng)水系十分相似，長期以來一直被視作火星表面存在過流水活動(dòng)的有力證據(jù)。由于可能蘊(yùn)含火星表面水文系統(tǒng)和氣候的相關(guān)信息，山谷網(wǎng)絡(luò)成為火星類水系構(gòu)造的重要研究方向。

隨著火星探測活動(dòng)的持續(xù)進(jìn)行，人們對(duì)山谷網(wǎng)絡(luò)的成因和火星氣候等方面的研究逐漸深入?？茖W(xué)家們提出了多種不同的模型來解釋山谷網(wǎng)絡(luò)的形成，目前存在兩種主流觀點(diǎn)。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，在約40億年前的諾亞紀(jì)，火星氣候溫暖濕潤，降水充沛，這些山谷網(wǎng)絡(luò)是在地表徑流的流水侵蝕作用下形成的［4，5］。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，山谷是在地下水流失的作用下形成的［6，7］。而最新研究將山谷網(wǎng)絡(luò)形成假說擴(kuò)展到冰下侵蝕，認(rèn)為大多數(shù)山谷網(wǎng)絡(luò)主要是在冰川作用下形成的［8］。

盡管山谷網(wǎng)絡(luò)的形成機(jī)制仍然存在爭議，但大多數(shù)研究都同意火星上的山谷與水有著高度的相關(guān)性，山谷的形成可能涉及河流侵蝕、地下水侵蝕、冰川侵蝕和冰下侵蝕這些與水有關(guān)的地質(zhì)過程。許多學(xué)者基于山谷網(wǎng)絡(luò)估算火星歷史時(shí)期的水含量，進(jìn)而研究火星古代氣候與水演化歷史。然而，由于數(shù)據(jù)與方法不同，估算結(jié)果存在巨大差異。因此，準(zhǔn)確提取火星表面山谷網(wǎng)絡(luò)對(duì)構(gòu)建火星的水系河網(wǎng)構(gòu)造，復(fù)原古火星表面的水系演化具有重要意義，同時(shí)也可為搜尋現(xiàn)在的火星地下水存在區(qū)域提供線索。

本文對(duì)火星山谷網(wǎng)絡(luò)的提取方法進(jìn)行梳理，將現(xiàn)有方法分為手工繪制和算法自動(dòng)提取兩大類，并分析現(xiàn)有方法的特點(diǎn)，提出未來可能的發(fā)展方向。

1 火星數(shù)據(jù)源

火星探測的主要任務(wù)之一是利用各種探測器和相機(jī)獲取火星表面的影像，這些影像以及由它們加工得到的遙感制圖產(chǎn)品便成為了山谷網(wǎng)絡(luò)提取的數(shù)據(jù)源。所用到的影像主要有Viking 圖像、MDIM（Mars digital image model）數(shù)據(jù)、MOC（Mars orbiter camera）數(shù) 據(jù)、THEMIS（thermal emission and imaging spectrometer）全火星影像鑲嵌圖以及地形制圖產(chǎn)品MOLA（Mars orbiter laser altimeter）數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）數(shù)據(jù)。表1 為各數(shù)據(jù)源的詳細(xì)信息，圖1為影像樣例［9-13］。

圖1 火星數(shù)據(jù)產(chǎn)品對(duì)比Fig.1 Comparison of Martian Data Products

表1 各火星數(shù)據(jù)源信息Tab.1 Information of Martian Data Sources

2 手工繪制方法

手工繪制火星山谷網(wǎng)絡(luò)是指研究人員通過直接觀察影像識(shí)別出山谷，并手工繪制出地圖。

2.1 進(jìn)展情況

在早期，僅基于影像數(shù)據(jù)手工繪制地圖，且局限在特定區(qū)域。為了詳細(xì)研究單個(gè)火星山谷網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)特征，計(jì)算其排水密度，以探究其形成原因和演化過 程，一 些學(xué)者繪制了局部 地區(qū)的山谷網(wǎng)絡(luò)［14，15］。然而，僅研究特定區(qū)域存在一定不足。Carr［16］首次將火星上的山谷網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)整體進(jìn)行研究，全面地描述了其特征。該研究基于Arc/Info 軟件，使用Viking 圖像繪制了火星65°N～65°S 范圍內(nèi)的山谷網(wǎng)絡(luò)。所得成果文件包含900 多個(gè)山谷網(wǎng)絡(luò)，且包括每個(gè)分支的位置、長度、水系級(jí)別等屬性信息。由該文件資料計(jì)算得到，火星65°N～65°S 范圍內(nèi)的平均排水密度為1.6 × 10-3km-1［17］。

隨著新影像數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，數(shù)字地形數(shù)據(jù)也被應(yīng)用 到 山 谷 網(wǎng) 絡(luò) 的 提 取。 Gasselt 等［18］基 于MOLA DEM 和Viking MDIM 數(shù)據(jù)對(duì)山谷網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)字化勾繪，并依據(jù)山谷網(wǎng)絡(luò)的長度、支路數(shù)量和支路類型將其分為3 類。Hynek 等［19］則使用了MOLA DEM和圖像質(zhì)量更高的MOC 全球影像進(jìn)行勾繪。與以往研究相比，Hynek 等［19］在GIS 軟件中得到的山谷網(wǎng)絡(luò)數(shù)量顯著增加，完整性更強(qiáng)，排水密度接近1×10-1km-1，這表明火星上存在相對(duì)成熟的排水系統(tǒng)。 隨 后，Hynek 等［5］引入了THEMIS daytime IR影像數(shù)據(jù)，得到了代表火星上大部分山谷的地圖。Alemanno 等［20］將THEMIS daytime IR 和MOLA DEM 結(jié)合起來，且在THEMIS 數(shù)據(jù)分辨率不足的區(qū)域加入了分辨率高達(dá)6 m/像素的CTX 影像，手工繪制山谷網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果見圖2。

圖2 手工繪制的山谷網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.2 Diagram of Valley Network Drawn Manually

2.2 特點(diǎn)分析

手工繪制方法出現(xiàn)時(shí)間最早，且至今仍為主流。由專業(yè)人士對(duì)影像中的地形進(jìn)行分析，從而勾繪出山谷，提取到的山谷網(wǎng)絡(luò)具有很高的準(zhǔn)確率和權(quán)威性。且手工勾繪方法除了使用DEM 地形數(shù)據(jù)外，還可以添加THEMIS 以及分辨率更高的CTX 影像等數(shù)據(jù)，使得識(shí)別出的山谷更準(zhǔn)確、更細(xì)致［20］。目前，手工方法的不足主要是人力耗費(fèi)問題，隨著火星遙感影像分辨率的提升，可識(shí)別的山谷網(wǎng)絡(luò)數(shù)量及細(xì)節(jié)信息將大幅增加，這意味著將花費(fèi)更多的人力來繪制火星全球的山谷。Bahia 等［21］認(rèn)為可以將火星山谷識(shí)別作為公眾項(xiàng)目推廣，其實(shí)驗(yàn)表明，非專業(yè)人士也能有效重現(xiàn)山谷網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)結(jié)構(gòu)，因?yàn)榭梢酝ㄟ^專家驗(yàn)證消除其中的假陽性谷，這種方式比專家直接手工繪制圖像花費(fèi)時(shí)間少。

3 算法提取

利用算法自動(dòng)提取火星山谷網(wǎng)絡(luò)可以彌補(bǔ)手工勾繪人力耗費(fèi)大的不足，該方法主要分為3 類：①基于地表流水物理模擬提取山谷網(wǎng)絡(luò)；②基于切線曲率提取山谷網(wǎng)絡(luò)；③基于極值線提取山谷網(wǎng)絡(luò)。其中，方法①是地球山谷線提取算法在火星上的應(yīng)用，而后兩種算法是針對(duì)火星地形的特殊性專門開發(fā)出來的，能很好地解決特殊地貌給山谷網(wǎng)絡(luò)提取帶來的問題。

3.1 基于地表流水物理模擬提取山谷網(wǎng)絡(luò)

由于水系特征與地形特征的一致性，基于地表流水物理模擬的方法是從DEM 數(shù)據(jù)中提取地球山谷線的一類典型方法。這類方法依據(jù)“水往低處流”的自然規(guī)律，通過計(jì)算匯水量，細(xì)化河網(wǎng)水系，得到山谷線。其中，最有代表性的為文獻(xiàn)［22］中的D8 算法，該算法被廣泛應(yīng)用于地球陸地表面的流向分析與匯流分析。

D8 算法的基本思路如下：假定水流可能流動(dòng)的8個(gè)方向，計(jì)算中心柵格與周圍8個(gè)方向的梯度，找到最陡梯度方向，即水流方向，以此方向計(jì)算匯水量，根據(jù)匯水量閾值提取出河網(wǎng)水系。Craddock 等［23］基于MOLA 地形數(shù)據(jù)，利用RiverTools 和Arc Hydro工具將該方法應(yīng)用于火星表面山谷網(wǎng)絡(luò)的提取，并考慮到火星表面存在大量隕石坑與火山口，使用強(qiáng)制梯度方法計(jì)算平坦區(qū)域的梯度，提取結(jié)果具有較好的連續(xù)性，識(shí)別出了3 種不同類型的山谷網(wǎng)絡(luò)。Mest 等［24］也使用相似方法提取出Tyrrhena Terra 區(qū)域的樹枝狀網(wǎng)絡(luò)。Stepinski 等［25］則開發(fā)了一種基于DEM 的自動(dòng)化算法，該算法與標(biāo)準(zhǔn)的D8 算法相似，但針對(duì)火星的特殊地形添加了識(shí)別和填平凹坑的步驟，提取得到的網(wǎng)絡(luò)與手工繪制的一致。

3.2 基于切線曲率提取山谷網(wǎng)絡(luò)

結(jié)合數(shù)字地形分析和圖像處理等領(lǐng)域的方法，Molloy 等［26］提出了一種基于切線曲率從DEM 數(shù)據(jù)中提取山谷網(wǎng)絡(luò)的算法。該算法的核心思想是從具有凸切線曲率特征的地形中識(shí)別出山谷部分。也有學(xué)者將該方法應(yīng)用于Mare Tyrrhenum quadrangle 區(qū)域和火星全球，得到了比手繪地圖更加詳細(xì)的火星山谷網(wǎng)絡(luò)分布圖［27，28］，如圖3 所示。

圖3 自動(dòng)提取山谷網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Valley Network Extracted Automatically

3.3 基于極值線提取山谷網(wǎng)絡(luò)

由于山谷網(wǎng)絡(luò)以極值線的形式出現(xiàn)，Günther等［29］提出了基于極值線的DEM 山谷網(wǎng)絡(luò)提取方法。首先，計(jì)算出拓?fù)涔羌艿膶哟谓Y(jié)構(gòu)，獲取最小值；然后，用最小值集作為簡單泛洪算法的種子點(diǎn)進(jìn)行注水，便可以覆蓋隕石坑；最后，所有的隕石坑被覆蓋住后，便可提取極值線，獲取山谷網(wǎng)絡(luò)。該方法的主要思路如下：

1）切線曲率計(jì)算。切線曲率κt(x，y)是在給定點(diǎn)的切線方向上測量的曲率，κt的正值表示凸型和收斂流，負(fù)值表示凹型和發(fā)散流。山谷網(wǎng)絡(luò)呈凸型，因此可由κt值確定。κt的計(jì)算公式如下：

式中，f為（x，y）的函數(shù)，表示海拔高度。

2）分割與消除。采用連通分量標(biāo)記算法［30］對(duì)閾值曲率二值圖像進(jìn)行分割，將其分割成單獨(dú)的碎片。其中，細(xì)長的碎片可能為山谷，而更大的碎片可能與火山口和其他地形部分對(duì)應(yīng)。利用式（2）計(jì)算碎片的圓度，消除圓度和面積過大的片段。

式中，C、A、P分別為碎片的圓度、面積和周長。

3）掩膜消除、細(xì)化與重連接。消除的隕石坑的掩膜由“deep flood”和紋理兩部分組成?！癲eep flood”部分由泛洪算法計(jì)算得到，而紋理部分是指高程標(biāo)準(zhǔn)差大于閾值的像素。消除掩膜遮蓋的部分后，剩下的圖像通過細(xì)化操作［31］進(jìn)行骨架化，即將所有線條減薄到單個(gè)像素的寬度。計(jì)算排水方向并積聚權(quán)值，根據(jù)閾值實(shí)現(xiàn)像素的連接，以形成完整的山谷網(wǎng)絡(luò)。

3.4 特點(diǎn)分析

利用山谷網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)提取方法能快速提取出密度可觀的山谷，且耗費(fèi)人力較少。假設(shè)火星的山谷網(wǎng)絡(luò)代表古代的排水系統(tǒng)，盡管一般山谷線提取方法（如D8 算法）原則上可以提取火星的山谷網(wǎng)絡(luò)，但由于隕石坑的存在，火星表面形成了大量的小型排水盆地，且原有的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)被疊加在山谷上的隕石坑破壞。因此，將這種算法直接應(yīng)用到火星上是不可行的［26］。為解決此問題，之后的改良算法中大多加入了消除隕石坑地貌的步驟。盡管山谷網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)提取方法在提取階段具有很高的效率，但所得結(jié)果仍需要經(jīng)過人工的檢查、核驗(yàn)，以消除假陽性成分。此外，即使是最好的算法也缺乏人類對(duì)問題的理解，無法在更廣泛的背景下作出判斷［26］。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)以及深度學(xué)習(xí)算法的發(fā)展，經(jīng)過高質(zhì)量數(shù)據(jù)集訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)能夠很好地從地球高分辨率遙感影像中提取河流、道路等線性構(gòu)造。隨著火星影像分辨率的逐漸提高，也可以利用類似的方法將已提取到的山谷作為先驗(yàn)知識(shí)應(yīng)用到其他山谷的提取中，以生成更完整、更詳細(xì)的火星山谷網(wǎng)絡(luò)分布圖。

4 結(jié)束語

了解火星山谷網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)、分布對(duì)研究火星表面液態(tài)水歷史及氣候演變十分重要。近年來，隨著數(shù)據(jù)質(zhì)量的提升與技術(shù)水平的進(jìn)步，利用火星影像與地形數(shù)據(jù)進(jìn)行山谷網(wǎng)絡(luò)提取的研究得到了迅速發(fā)展，從早期的人工目視解譯與手工繪制，逐漸發(fā)展為半自動(dòng)與自動(dòng)提取。然而，由于火星地貌復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)精確的自動(dòng)提取仍然存在許多困難。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，影像中的線性構(gòu)造能夠被更精準(zhǔn)地識(shí)別出來，利用語義分割能夠提取地球遙感影像中的河流以及道路。未來將結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，進(jìn)一步推動(dòng)火星山谷網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)提取和火星制圖的發(fā)展。